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小孔降压喷注消声器在水电厂气系统中的应用姜飞

发表时间：2020/7/15 来源：《电力设备》2020年第5期作者：姜飞潘元林钱来

[导读] 摘要：针对水电厂压缩空气系统排气放空过程产生的噪声，通过采用小孔降压喷注消声器，在所有的排气口连接消声器，然后统一排放厂房排污沟内，通过改造，车间噪声得到有效降低，排气造成的周围环境污染得到了根治。

        （贵州北盘江电力有限公司董箐分公司）
        摘要：针对水电厂压缩空气系统排气放空过程产生的噪声，通过采用小孔降压喷注消声器，在所有的排气口连接消声器，然后统一排放厂房排污沟内，通过改造，车间噪声得到有效降低，排气造成的周围环境污染得到了根治。本文通过对小孔降压喷注消声器的设计加工进行分析，解决了压缩空气排气产生的噪音和污染，大大降低了厂房的声污染，降低员工接触噪音而患职业病的风险，使员工的工作环境更利于沟通交流。
        关键词：喷注噪声；节流降压；小孔喷注；消声器
        一、背景
        某水电厂气系统由中压气系统和低压气系统组成。共设2台中压空压机和2个中压储气罐、4台低压空压机和3个低压储气罐，中压气系统的额定压力为6.4MPa，低压气系统的额定压力0.7MPa，存在多处放空噪音，一是空压机启停机时卸荷放空排气，二是储气罐定时排污过程中的放空排气。放空排气具有过程短、噪声大、难预判的特点，给电厂工作人员造成惊吓，同时放空排气在短时间释放巨大的能量，造成排污沟渠、管道损坏严重，放空排气口处环境污染严重。
        二、消音器设计分析
        2.1放空噪音分析
        压力排气放空噪声主要是由高速气流向外喷射形成的。它的声功率与喷射气流速度、声源介质、喷射口径大小及压差有关。

（1）
        式中： W一喷射气流气功率；
        u一喷射气流速度；
        d一喷射口孔径；
        ρ一介质密度(对于一定介质，随压力变化而变化) ,
        Δp一喷口临界压力与外界大气压之差。
        （1）喷射气流声功率与喷射气流的高次方(一般可达8 次方) 成比例；
        （2）喷射气流声级与喷口临近压力与外界大气压的压差的对数成比例(在压差不太大的范围内，压差增加一倍；A声级约增加7分贝) ；
        （3）小孔喷射噪声的A声级声功率大致与小孔径的5次方成比例，孔径减半，声级降低15分贝。
        2. 2节流降压型消声器
        节流降压的消声原理是通过多级节流孔板串联，把放空排气的一次压降分散成若干小的压降。由于放空排气噪声的声功率与压降的高次方成比例，所以把压力突变改为压力惭变排空能显著降低噪声。
        节流降压消声器的各级压力是按照几何级数下降的，表达式如下：

（2）
        式中:P表示压力，n表示节流孔板级数，q表示压降比，表示节流孔板后的压力与该级节流孔板前压力的比值。
        节流装置的通流面积，通过文献参考得出第一级通流面积为:

（3）
        式中：S1 为通流面积单位cm2、G、V1、P1 分别为排放空气体的重量流量、节达式。此表达式是我们消声设计的基础。流前气体的比容及压力μ为修正系数。
        得出第一级节流板通流面积后，逐级除以q便得到以后各级的通流面积，再由面积确定孔径和孔心距，最后安排好孔的分布。
        2. 3小孔喷注型消声器
        小孔喷注的消声原理是将一个大孔喷注改为大量小孔喷注，以达到降低高速气流，由于喷注孔径与声频相关，具有升频特性，从而降低人耳可辩噪音噪声的目的。小孔喷注具有以下特性：
        （1）气体在管孔中流动后喷出，途中会有不同的阻抗截面，而使一部分声波返回声源。
        （2）由于声功率与气体流速的高次方成正比，而气体流速又与压降成正比，气体通过小孔喷注出去，就分散了压降，从而降低气体流速，达到降噪的目的。
        （3）具有升频特性可以将噪声频率推到人耳听不到或不敏感的超高频范围，气体排放时，声频的峰值f与排放口径的关系式子如下：

（4）
        式中c表示声速，d表示孔径，So表示Strouhal数。
        由上式可以看出，孔径d越小，声频的峰值f就越大，当f大于20000Hz时，就成为超声，人耳就听不到了。因此，改为小孔喷注并不减少噪声的总能量，只是减少了可听声的能量，与人耳听觉相吻合的 A 声级也随之降低。
        三、消音器制作
        参考文献及计算得知，小孔喷注口的孔径一般为1-3mm，太小了易于堵塞且由于排量关系，小孔孔数将增多，且加工困难。设计小孔喷注消声器，孔心距对消声量的影响非常大。如果小孔间距较小，气流经过小孔形成多个小喷注后，还会再汇合形成大的喷注而辐射混合喷注噪声，使得消声量降低。一般经验是小孔的孔间距不应小于5倍孔径。喷注前的驻压越大，孔心距就需要越大。节流降压层可考虑一级或多级。一般设备喷注压力较高，应设置多级降压。经多级节流降压后驻压，应控制在0. 3-0. 6MPa。若使更低必定要增多级数、增大体积。小孔喷注和节流降压两者之间配合至关重要，如果适当增加小孔喷注层的通流面积，尽量减小喷注层前的驻压，则一级节流加小孔喷注也能起到多级节流降压加小孔喷注的作用。
        计算表明，单独采用节流降压或小孔喷注消声器，其消声量均不超过35dB (A)。如果将两种结构结合在一起使用，能获得更大消声量，目前应用最多的也是小孔降压喷注消声器。小孔降压喷注消声器的设计是在内部进行多级节流降压，同时配合小孔喷流。只要配合得当，可取得45dB (A) 以上的消声效果。
        1、某水电厂中压气系统排污管防空排气气压是6.3Mpa，所以消声器首先需要控制入口的气压，在消声器进气口布置两级节流降压板，节流降压板设计采用5mm厚的钢板，第一级小孔直径设置为8mm，第二级直径设置为5mm，孔间距设置为3mm，节流减压板也可以当做小孔喷注，除了有节流减压的作用，还有移谱作用，从而达到降噪的目的。
        2、气流通过节流降板之后就到小孔喷注，小孔喷注设计采用DN50的钢管，长度45cm，小孔直径设置为4mm，一是为了加工方便，二是避免堵塞，每根管子钻400个孔，这里注意的一点就是恰当的孔径d与孔间距b之比，b/d选择在1.75到5之间，以防止小孔喷注的相互作用又形成大的喷注，将频谱又推向低频，从而抵消小孔喷注的降噪效果。
        3、在消声器空腔内填充吸音棉，可以使部分噪声被吸音材料所吸收，起到阻性吸声作用，达到降噪的目的。
        根据此小孔降压消声器消声效果，可设计二级消声装置，通过一级小孔降压喷注消声器出来接法兰盘联接第二级小孔降压喷注消声器（第二级小孔降压喷注消声器构造与第一级一样），这样就组合为二级消声减压装置。小孔降压喷注消声器结构示意图如图1所示。

        图1 小孔喷注消声器结构示意图
        四、使用效果
        1、对气系统排气口安装消声器后，取得了预想的效果：1、中、低压气系统运行工况未受到改造的影响。2、气系统排气放空产生的噪音大大减低，噪音由原来的爆破声变为缓慢的泄气声。3、气系统排气放空口无强烈的气流喷出，排气口周围环境明显改善。
        2、经济效益
        该小孔降压喷注消声器对原设备无改动，利用普通钢管、钢板等废料加工而成，制作成本低，可根据实际情况进行拼接，组合为多级消声器，操作简单，适用范围广。本次改造节约设计、购买、维护小孔降压喷注消声器的改造费用2万元左右，同时改造后周围环境污染得到了根治，大大减轻了工作人员的清扫维护的工作强度。
        五、总结
        水电厂压缩空气系统在排气过程中产生了很高的喷注噪声，采用小孔降压喷注消声器极大的降低喷注噪声。通过运用喷注噪声理论，运用小孔降压喷注消声器设计方法，为水电厂压缩空气排气系统喷口设计小孔降压喷注消声器。同时根据现场实际需要，对小孔降压喷注消声器进行分级设计加工，便于增加消声器级数，对不同工况的不同需求可以很好的采用。小孔降压喷注消声器在水电厂气系统中的应用，解决了压缩空气排气放空产生的噪音污染，降低员工接触噪音而患职业病的风险，极大地改善了员工的工作环境，降低了员工在噪音环境中沟通不畅造成事故的可能。
        参考文献：
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        [3]杨国荣,易吉龙,寸永柱,贺永吉,王思一,张平均.一种新型消声装置在铝电解槽上的应用. [J].云南冶金,2019(2):88-93.